CN101634276B - 浮空式风能接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮空式风能接收装置，其包括：一气囊，盘绕成螺旋状，内装轻质气体；数条牵引绳，沿所述螺旋状气囊的轴向布置在该气囊的内侧和外侧，并分别连接在该气囊的内侧和外侧表面，各牵引绳的下端与一用于驱动发电机的驱动装置相连。与现有技术相比，本发明的浮空式风能接收装置结构简单、成本较低、发电能力高且安全性更好。

Description

浮空式风能接收装置

技术领域

本发明有关一种风能发电设备，具体而言是涉及一种利用高空气流做功发电的浮空式风能接收装置。

背景技术

风能接收装置，就是将风能转化为旋转机械能的装置。目前常用的风能接收装置是风叶，装在风塔顶部带动发电机发电。受风塔高度的限制，这种风能接收装置只能接收利用地面附近的风能，而由于地面的风速较低，能量较小，若想提高风力发电的功率，只能尽可能采用大尺寸的风叶叶片，提高受风面积，这也带来成本的剧增，而风叶尺寸由于材料、工艺以及风塔高度的限制，并不能无限制的增加，因而制约了发电能力的进一步提高。

而众所周知，空中的气流越往高处其风速越高，所携带的能量越大。如1000米高空的风速是地面的三倍，则所携带的能量是地面附近的27倍(根据风能密度公式为P＝1/2ρV³)。由此可见，如果能有效利用高空的高速气流，用同种类型、同样截面积的风能接收装置，发电能力可以提高数倍。因此，充分利用空中气流能量进行风力发电是提高发电能力，减少发电成本的有效途径。

为此，目前世界各国相继研制了利用高空气流做功的风能接收装置。其中一种是意大利高空型风筝发电技术，其工作原理是：用大型滑翔伞(也就是所说的风筝)作为风能接收器，通过拉动控制绳(计算机自动完成)，使逆风上行的风筝变形，从而降低风阻，而对侧顺风下行风筝则全张开，全风阻顺风飞行，两侧风阻差形成机构整体转动的动力。在风能转化为机械能后，通过钢丝绳将接收到的能量送到地面转轮，由转轮将能量送入发电机，完成发电的目的。

这种风能接收装置由于利用高空的高速风能，单机功率可达百万千瓦，此外，电机和输变电系统全部在地面，提高了安全性，与常规风力发电技术相比，其建造成本也相对较低。但其缺点也比较明显：

1、需要复杂的转向控制系统，该技术需要计算机高度自动化控制，而且 周围要有精确的测风装置，由于风筝工作在不断变动中，没有稳定态(稳定态下不仅不能工作，而且风筝会掉下来)，需要不断检测计算风筝的受力状态，调整风筝的姿态，以便使一侧的风筝处于全风阻状态，拉动发电设备运转，另一侧风筝处于低风阻状态，以减少阻力力矩，是发电设备能始终在一个方向上旋转发电，因此需要复杂的计算控制系统。同时该技术稳定性很差。

2、如前所述，风筝需要在全阻力和低阻力状态下不断切换才能带动发电设备旋转发电，但随着风筝的收放，会不断出现脉动冲击，导致发出的电是脉动的，相应地增加了输变电系统的投资，以及工作过程的复杂性。

3、风力的能量密度本来就很低，还要消耗动力拉放风筝，进一步降低了风能利用率。

4、气动力学很差，几乎完全是阻力型，效率低。

5、操作复杂，实用性差：上千米长的绳子拉着足球场大的风筝，放飞升空操作复杂。而且整套系统十二个风筝，放的过程中就完全有可能缠到一起。一旦风太小，风筝有可能失去升力会掉下来。

此外，还有采用高空涡轮发动机型、高空兜风轮型和高空直升机型等浮空式风能发电装置，这些装置的共同特点是将风能接收装置和发电机构一起由浮空装置升到空中，接收高空风能，并将产生的电能输送回地面。这些发电装置也都有一些共同的缺点：1、由于将风能接收装置与发电机构都浮空布置在空中，造成风能发电装置的结构复杂、重量大，制约了其功率的进一步提高；2、体积、重量都比较大的发电装置都设置在空中，一旦坠毁，将会对地面安全构成威胁，安全性较差；3、对风向有要求，即某些方向的风接收的风能较高，对另一些方向的风接收的风能较低，而高空气流多变性制约了其对风能的有效利用4、需要另外加装浮空装置，以便将发电装置升入高空，增加了制造成本。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提供一种结构简单、成本低、发电能力高且安全性好的浮空式风能接收装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种浮空式风能接收装置，其包括：

一气囊，盘绕成螺旋状，内装轻质气体；

数条牵引绳，沿所述螺旋状气囊的轴向布置在该气囊的内侧和外侧，并分别连接在该气囊的内侧和外侧表面，各牵引绳的下端与一用于驱动发电机的驱动装置相连。

优选地，所述气囊截面呈宽度大于厚度的扁形。

进一步地，所述螺旋状气囊是由在该气囊内设置的连接气囊上下表面的牵拉件牵拉而形成。

更进一步，所述牵拉件为沿所述气囊长度方向设置的间隔布，该间隔布的数量至少为一条。

优选地，在所述气囊内还设有副气囊，在该副气囊上设有连通至大气的气阀，该气阀在内外压差超过预定值时开启。

进一步地，所述副气囊连接有补气泵，该补气泵由在所述柱状气囊或副气囊内设置的压力传感器控制。

优选地，在所述气囊表面覆设蒙皮。

所述蒙皮可由大麻布制成，也可由其它具有高强度，耐侵蚀性的材料制成，如可以是复合了金属薄膜的复合材料。

优选地，位于所述气囊内外二侧的牵引绳至少各为三条。

进一步地，位于内侧和外侧的内外牵引绳呈相对设置。

更进一步，其中至少一对分别位于内侧和外侧的牵引绳设置在所述气囊的端部位置。

本发明的浮空式风能接收装置是采用一个螺旋状气囊来接收风能，而气囊本身就是浮空部件，不需要另外增设浮空装置，螺旋状气囊在浮力和风力的合力作用下，会偏向下风方向并产生旋转，由此带动与其连接的发电机构旋转发电。

与现有技术相比，本发明的浮空式风能接收装置由于不需要另外增设浮空装置，而且螺旋状气囊可以接收各个方向的风能并可在各方向的风力的作用下，产生旋转带动发电机构发电，因此整个发电不需要复杂的传动机构和控制机构进行传动或控制，其结构简单、成本较低；而螺旋状气囊只要工艺允许可以制作的很大，更利于大型化，可以带动更大型的发电设备发电，其发电能力更强；同时由于该种风能接收装置是通过牵引绳连接到发电机构的驱动装置，而发电机构则设置在地面，无需担心因坠毁而带来的安全隐患，其安全性比较高，也易于使发电设备大型化。

附图说明

图1是带有本发明风能接收装置的风力发电设备的正面结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的右视图。

图4是图1的A-A剖视图。

图5是本发明风能接收装置另一个实施例的横截面结构示意图。图中

1、气囊      2、牵引绳

3、间隔布    4、蒙皮

5、副气囊    6、气阀

7、发电机构  8、驱动装置

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

本发明的风能接收装置是用于接收风能，并将所接收的风能通过牵引绳传输到风力发电设备的地面发电机构，以带动地面发电机构进行发电的装置。

图1～图4是带有本发明风能接收装置的风力发电设备的结构示意图。图1是该实施例的正面结构示意图。图2是图1的俯视图。图3是图1的右视图，图4是图1的A-A剖视图。

如图1～图3所示，该风力发电设备包括浮空式风能接收装置、驱动装置8和发电机构7。

所述浮空式风能接收装置，其包括一气囊1和数条牵引绳2。

所述气囊1，盘绕成螺旋状，内装轻质气体，轻质气体可以采用比重小于空气的气体如氢气、氦气等。

数条牵引绳2，沿所述螺旋状气囊1的轴向布置在该气囊1的内侧和外侧，并分别连接在该气囊1的内侧和外侧表面，各牵引绳2的下端与所述驱动装置8相连。所述驱动装置8连接于所述发电机构7的动力输入轴，并由 此带动发电机发电。

在该实施例中，所述气囊1截面呈宽度大于厚度的扁形，具体是近似于扁圆形形状。

参见图4，所述扁形气囊是由在该气囊1内设置的连接气囊上下表面的牵拉件牵拉而形成。

在本实施例中，所述牵拉件为沿所述气囊长度方向设置的间隔布3，该间隔布3并列设置八条。

所述间隔布3的数量也可以根据需要进行设置，一般而言对于较大的气囊需要的间隔布的数量相对较多，以便保持所需要的形状，而对于小型的气囊，一条也可以满足定型的需要。

作为一种替代方案，所述牵拉件也可以采用诸如成排设置的牵拉索结构。

而牵引绳2除了可以向外输出动力，其连接在气囊1的内侧和外侧表面之间，也可以起到控制气囊1螺距的作用，通过调节牵引绳的连接长度可以调节气囊的螺距及螺旋角度，满足不同的需要。

在该实施例中，所述气囊1还包括副气囊5，该副气囊5设置在气囊1内，在该副气囊5上设有连通至大气的气阀6，该气阀6在内外压差超过预定值(比如50～150kPa)时开启，避免气囊1因压力过高而破裂。

所述副气囊5连接有补气泵(图未示)，该补气泵由在所述气囊或副气囊内设置的压力传感器控制。在气囊1压力低于预定值时，控制补气泵开启，向副气囊5补充空气，使得副气囊5膨胀而补充因气囊1泄露或其它原因减少的压力，以保持气囊1稳定的动力学外形。补气泵的动力可以由地面提供。

图中显示的气囊1的是右旋螺旋状态，在气囊的下侧构成迎风面，上侧构成背风面，其在风的作用下，风能接收装置会产生向左旋转的扭矩而向左转，即在俯视时沿顺时针风向旋转。同样，气囊1也可以盘绕成左旋方向，其与右旋气囊其它结构基本相同，只是受力方向相反，旋转方向相反。

本发明气囊所用的材料可以是具有较高强度和气密性的柔性材料，如可以采用制造飞艇气囊的材料。

在图1～图3所示的实施例中，布置在所述气囊1内外二侧的牵引绳2各为三条，并且所述内外牵引绳2相对设置，相对设置的牵引绳2可使气囊1 的内外受力均匀，减少气囊的变形。其中一对牵引绳2设置在所述气囊1的二端部重合位置，一方面可以保证整个气囊螺距的相对固定，另一方面也可以使气囊1各部位的动力可以均匀的向外输出。

上述牵引绳不限于内外各三条，也可以多于三条，并且也不限于内外数量相同或内外相对设置，只要内外牵引绳分别均匀分布在所述气囊的周边即可。

而气囊的截面形状也不限于扁形，也可以是其他形状如圆形。

本发明的螺旋气囊可以采用以下方法制造：先根据设计的气囊螺旋内径和外径裁剪出圆环形料，再根据设计的螺旋数将各圆环形料首尾相接成一螺旋状环料，然后在中间粘接或焊接牵拉件，再将二片螺旋状环料边缘粘接或焊接即成气囊，该气囊内充气后即可以形成本发明的螺旋状气囊。

对于较小的螺旋气囊也可以整体挤塑成型，这样可以减少接缝数量，增强密封性能。

图5是本发明风能接收装置另一个实施例的横截面结构示意图。

参见图5，在该实施例中，在所述气囊1表面覆设蒙皮4，其余结构与上面的实施例基本相同。

其中，所述蒙皮4可由大麻布制成，也可由其它具有高强度，耐侵蚀性的材料制成，如可以采用复合了金属薄膜的复合材料。

在前述实施例中，在气囊1内均设置有副气囊5。但在本发明中副气囊并不是必须配置的，在某些环境变化(如温度、压力)比较小的地方，也可以不用副气囊，依然能够保证气囊具有较高的寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以将上述技术内容进行组合形成其他的技术方案，这些改进和润饰，以及形成的其他技术方案也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种浮空式风能接收装置，其特征在于包括：

一气囊，盘绕成螺旋状，内装轻质气体；

数条牵引绳，沿所述螺旋状气囊的轴向布置在该气囊的内侧和外侧，并分别连接在该气囊的内侧和外侧表面，各牵引绳的下端与一用于驱动发电机的驱动装置相连。

2.根据权利要求1所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：所述气囊截面呈宽度大于厚度的扁形。

3.根据权利要求2所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：所述螺旋状气囊是由在该气囊内设置的连接气囊上下表面的牵拉件牵拉而形成。

4.根据权利要求3所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：所述牵拉件为沿所述气囊长度方向设置的间隔布，该间隔布数量至少为一条。

5.根据权利要求1所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：在所述气囊内还设有副气囊，在该副气囊上设有连通至大气的气阀，该气阀在内外压差超过预定值时开启。

6.根据权利要求5所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：所述副气囊连接有补气泵，该补气泵由在所述气囊或副气囊内设置的压力传感器控制。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：在所述气囊表面覆设蒙皮。

8.根据权利要求8所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：所述蒙皮由大麻布制成。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：位于所述气囊内外二侧的牵引绳至少各为三条，并沿所述气囊的内侧和外侧均匀分布。

10.根据权利要求9所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：位于内侧和外侧的牵引绳呈相对设置。

11.根据权利要求10所述的浮空式风能接收装置，其特征在于：其中至少一对分别位于内侧和外侧的牵引绳设置在所述气囊的端部位置。

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